Katalyse onder druk

De chemische industrie staat onder druk om nieuwe processen te ontwikkelen voor de productie van plastics en brandstoffen. Dit vergt andere katalysoren. Het Industrial Catalysis Lab is speciaal ontworpen voor werk met extreme drukken.

Katalyse is als een magische steen”, zegt professor Atsushi Urakawa. Een katalysator, zo leerden we bij scheikunde, is een stof die een weerbarstige chemische reactie plotseling toch mogelijk maakt, en daarbij zelf niet wordt omgezet. Dat klinkt als toverij, en die indruk wordt nog versterkt door de betrokkenheid van exotische metalen zoals platina.

Maar ‘magie’ is niet langer goed genoeg. Door de afbouw van fossiele grondstoffen staat de chemische industrie onder druk om nieuwe processen te ontwikkelen voor de productie van plastics, brandstoffen en kunstmest. Nieuwe processen vragen om andere katalysatoren die bovendien minder afhankelijk zijn van zeldzame metalen. Het is Urakawa’s missie om de doorlooptijd van het laboratorium naar industrie te verkorten. “Gezien de snelheid waarmee het klimaat verandert, kunnen we ons niet veroorloven zo lang te wachten met de verduurzaming van onze belangrijkste chemicaliën.” Dat vraagt om proefopstellingen waar katalyse ontwikkeld wordt onder industriële druk en temperatuur. “Een hogere temperatuur betekent krachtiger botsingen tussen moleculen, en hoge druk betekent een grotere trefkans.”  Zijn handen stuiten tegen elkaar ter illustratie. “Zo alleen bereik je hoge omzettingen.”

Werkdrukken tot wel 500 bar vereisen een speciaal gebouw. Architectenbureau HappelCorelissenVerhoeven ontwierp het Industrial Catalysis Lab speciaal voor werk met extreme drukken. Experimenten vinden plaats in een van de acht cellen met vijftig centimeter dikke muren van extra gewapend beton, afgesloten met stalen scheepsdeuren. De ruimten zijn explosiebestendig; overdruk wordt via een speciale klep in het dak geloosd. De besturing van het experiment gebeurt buiten de cel via een zelfontworpen besturingssysteem.

In box 3 loopt een experiment waarbij waterstof en CO₂-gebonden worden tot methanol en water. De katalysator bevindt zich in een kleine ruimte tussen twee blokken zo groot als een baksteen. De buisjes zijn ondanks de enorme druk maar enkele millimeters in doorsnee.

In een box aan de andere kant draait een opstelling voor batch-omzettingen, gebruikelijk in de farmaceutische industrie. Terwijl de oplossing in de reactor geroerd wordt, kijkt een Raman spectrometer naar de oppervlaktestructuren van de katalysator, en een infrarood spectrometer neemt moleculaire trillingen waar. “Je ziet de chemicaliën aan het oppervlak ontstaan”, legt Urakawa uit.

De next generation katalysator, die hier ontwikkeld wordt, is in zijn voorstelling opgebouwd uit normale metalen zoals koper, nikkel en ijzer. Samengesteld in legeringen of nanostructuren, en getest bij industriële temperaturen en drukken. Urakawa is ervan overtuigd dat de ‘magie’ van de katalysator uiteindelijk niets anders is dan de juiste combinatie van materialen en condities. Die te ontdekken, is de missie van dit kleine zwarte laboratorium aan de zuidwesthoek van de campus.